Glas-L-PA

Ziel der Entwicklung

Die konventionelle, manuelle Bearbeitung von Glas zu komplexen Bauteilen ist mehrstufig, geprägt durch mechanische, abtragende Verfahren oder das Umformen bzw. Fügen oder Schichtaufschmelzen mittels Gasflamme. Die Nutzung von flexiblen automatisierbaren und effizienten Prozessen zur Herstellung von individuellen Bauteilen aus Glaspulver gewinnt auch in der Glasindustrie immer mehr an Bedeutung. Die Herstellung einer Bauteilform durch additive Fertigungsverfahren mittels Laserstrahlen direkt aus einem reinen Glaspulver stellt dabei eine attraktive Möglichkeit dar, diese Anforderungen zu erfüllen. Im Vergleich zur pulverbettbasierten additiven Fertigung (PBF) bietet das Laserpulverauftragschweißen (L-PA) gute Voraussetzungen zur flexiblen, effizienten, automatisierbaren und direkten 3D-Fertigung komplexer Geometrien. Dabei kann dies auf bereits bestehende Halbzeuge wie Platten, Stäbe oder Rohre bzw. 3D-Oberflächen wie Formkörper oder Funktionsbauteile erfolgen, die mit herkömmlichen oder additiven Fertigungsmethoden hergestellt wurden. Im Forschungsprojekt wurden Prozessstrategien zum Laserpulver-Auftragsschweißen für die Herstellung von anwendungsbezogenen Glasbauteilen untersucht. Es waren Prozessstrategien zu entwickeln, um sortenabhängig, optisch transparente, kompakte Glasbauteile (z. B. Preformen für Spezialglasfasern, filigrane Brennerdüsen, anwendungsspezifische Profile, Gewinde) zu generieren und die Prozesseffizienz zu bestimmen.

Vorteile und Lösungen

Glaspulver aus Quarz- oder Borosilikatglas können beim lagenweisen Pulverauftragsschweißen mittels CO2-Laserstrahlen aufgrund der guten Absorption der Wellenlänge von 10,6 µm auf Glas-Halbzeuge aufgeschmolzen werden. Es wurden verschieden experimentelle Systemtechniken entwickelt, die für das automatisierte Aufschmelzen von Glaspulver auf Rund- und Flachmaterial geeignet sind. Dazu zählen

• Das Pulverhandling, die Pulverförderung und die Pulverzufuhr (Scheibenförderer und Düsenanordnungen: Einzel-, Doppeldüse, Laserkopf mit 6-Pulverdüsen)
• Eine anwendungsabhängige optische Laserstrahlformung und Laserstrahlführung (Stufenspiegel für Rundmaterial, Laserkopf mit den ringförmig angeordneten Düsen für Flachglas)
• Die pyrometergesteuerte Prozessreglung, um den Prozess glassortenabhängig gezielt und parametrisiert zu regeln
• Die Integration einer Kamera zur optisch Prozessbeobachtung

Mit der entwickelten Systemtechnik wurden Parameteruntersuchungen anhand von Rund- und Flachmaterial (SiO2, B33) durchgeführt und signifikante Parameterabhängigkeiten erarbeitet. Begleitet wurden diese Untersuchungen durch eine werkstofftechnische Analyse der verschiedenen Glaspulver. Es zeigte sich, dass eine gaußförmige Partikelverteilungen mit einer Partikelgröße D90 von 250 bis 300 µm sehr gut zur homogenen Pulverförderung und zum Schichtschmelzen des Glaspulvers geeignet sind. Damit weist das für Glaspulver mit seinem charakteristischen Bruchkorn die notwendige Fließfähigkeit im Förderprozess auf. Weiterhin wurden die Verarbeitungstemperaturen der verschiedenen Glaspulver zur Reglung der Prozesse bestimmt und in den Experimenten zum Prozess angewendet. Generell erwiesen sich die Prozessuntersuchungen für Rundmaterial (Glasstäbe und -rohre) als sehr vielversprechend, da hierbei eine sehr homogene Laser- und Prozessführung mit einem optimalen Wärmemanagement für rotationssymmetrische Glasproben möglich ist. Dies führte zu spannungsminimierten Probekörpern und Demonstratoren, die durch ein thermisches Feinkühlen spannungsfrei waren.

Zielmarkt

Mit der Verfahrens- und Systementwicklung wird der Glasindustrie der Einstieg in eine neue Fertigungstechnologie, der additiven Fertigung von Glas, offeriert. Insbesondere für kompakte Glasbauteile, die aufwändig in mehreren Prozessschritten hergestellt werden, bietet das L-PA eine interessante, automatisierbare Möglichkeit und stellt zukünftig die Basis für KI-Aufgaben dar. Da sich am Markt momentan keine Anlagentypen befinden, die für die Herausforderung der Glaspulververarbeitung über L-PA umfassend ausgelegt sind, profitierten Hersteller von Laseranlagen, der Automatisierungstechnik und des allgemeinen Maschinenbaus von den Entwicklungen im Projekt. Konkrete Anwendungen für die Bauteilherstellung mittels L-PA von Glaswerkstoffen werden für anwendungsspezifische Profile, Gewinde, dickwandige Rohre, Stäbe oder ebene diverse Geometrien auf Platten möglich. Die hohe Flexibilität der Verfahrensentwicklung ermöglicht eine große Produkt-Diversität hinsichtlich der Bauteilgeometrie für Glasprodukte. So kann schnell und flexibel auf Bedürfnisse von Kunden reagiert werden.